На правах рукописи

Абдрашитов Андрей Владимирович

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫХ

КРИСТАЛЛОВ В ПОЛЯХ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Специальности:

01.04.07 – физика конденсированного состояния

01.04.02 – теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Псахье Сергей Григорьевич доктор физико-математических наук Зольников Константин Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Козлов Эдуард Викторович доктор физико-математических наук, профессор Шаповалов Александр Васильевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН, г. Москва

Защита состоится «30» июня 2011 г. в 1430 час. на заседании диссертационного совета Д 212.267.07 в Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан «27» мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.267. доктор технических наук, старший научный сотрудник И.В.. Ивонин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Комплексная (пылевая) плазма - это газовая плазма, состоящая из электронов, ионов и нейтральных атомов, которая дополнительно содержит пылевые частицы размером от 10 нм до 10 мкм, т.е. конденсированную дисперсную фазу (КДФ). При этом ее свойства гораздо разнообразнее свойств классической плазмы, состоящей из электронов и ионов. Поэтому, изучение различных состояний КДФ и физических явлений в них представляет значительный интерес с точки зрения получения фундаментальных знаний о состояниях классических, макроскопических и микроскопических дисперсных систем.

Широкая распространенность в природе и выраженные нелинейные свойства делают исследование фундаментальных основ поведения комплексной плазмы, безусловно, актуальным и перспективным научным направлением. В силу многообразия проявлений система «плазма с КДФ» находится на стыке физики конденсированного состояния и теоретической физики. Поэтому, методы исследования, применяемые в физике конденсированного состояния и теоретической физике, широко используются при изучении пылевой плазмы. Для теоретического описания поведения комплексной плазмы используются различные модели: метод “обобщенной гидродинамики”, кинетический подход, метод, основанный на приближении квазилокализованного заряда. В то же время в работах академика Фортова В.Е. отмечается, что в качестве критерия достоверности и применимости различных теоретических подходов можно использовать численное моделирование комплексной плазмы, в частности, выполненное в рамках молекулярной динамики.

Применение различных методов компьютерного моделирования (метода Монте-Карло, метода молекулярной динамик, Particle-in-cell методов) позволяет достаточно точно описывать коллективное поведение плазменно-пылевых частиц и влияние разного рода внешних воздействий на изучаемую систему. Отметим, что на основе компьютерного моделирования можно исследовать структуру и поведение плазменно-пылевых систем в произвольных удерживающих полях при различных внешних воздействиях, а также получать детальную информацию об изучаемой системе, которая недоступна в эксперименте. При этом во многих работах моделирование проводится применительно к плазменнопылевым кристаллам небольшого размера. Если число пылевых частиц в КДФ не превышает тысячи, то такую систему в литературе принято называть «плазменно-пылевой кластер» или «кластер Юкавы».

Несмотря на интенсивно развивающиеся в последние годы комплексные исследования плазменно-пылевых систем, многие их фундаментальные свойства и закономерности поведения остаются недостаточно изученными. Эффекты, связанные с коллективным взаимодействием между пылевыми частицами; структура и поведение систем с разнородными пылевыми компонентами; отклик пылевой плазмы на различные внешние воздействия и так далее. Это связано как с ограниченностью возможностей экспериментального оборудования, так и со сложной нелинейной природой плазменно-пылевых систем.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является изучение структуры плазменно-пылевых систем в удерживающих полях различной конфигурации и их отклик на внешние воздействия.

В соответствии с указанной целью в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать структуру однокомпонентных плазменно-пылевых кристаллов в анизотропных ловушках.

2. Изучить влияние конфигурации удерживающего поля на структуру многокомпонентных плазменно-пылевых кристаллов.

3. Изучить возможности управления структурой кристаллического состояния плазмы с КДФ.

4. Исследовать поведение плазмы с КДФ при скачкообразном изменении внешнего удерживающего поля.

5. Изучить поведение однокомпонентных плазменно-пылевых кристаллов наносекундных импульсных электрических воздействиях.

Научная новизна 1. Впервые показано, что можно управлять структурой бикомпонентных плазменно-пылевых кристаллов в основном состоянии, меняя соответствующим образом конфигурацию удерживающей ловушки или подбирая пылевые частицы с определенными параметрами (размером и массовой плотностью).

2. Показано, что структура и форма одно- и бикомпонентных плазменнопылевых кристаллов существенно зависят от степени анизотропия удерживающего поля. Установлено, что увеличение числа пылевых частиц в плоском плазменно-пылевом кристалле приводит не только к увеличению числа оболочек, но и трансформации моделируемого кристалла из двумерного в трехмерное состояние.

3. Установлено, что при скачкообразном изменении удерживающего поля в плазменно-пылевом кристалле генерируются колебания, частота которых определяется конечной величиной удерживающего поля. Обнаружено, что характер колебаний плазменно-пылевого кристалла в случае всестороннего и анизотропного нагружений существенно различается.

4. На основе молекулярно-динамического подхода рассчитаны и построены амплитудно-частотные характеристики плазменно-пылевого кристалла при электроимпульсном нагружении. Полученные амплитудно-частотные характеристики позволяют эффективно определить динамику изменения заряда пылевых частиц в процессе нагружения и последующих осцилляциях.

Научная и практическая ценность В рамках проведенных исследований показана возможность и способы целенаправленного изменения внутренней структуры и свойств плазменно-пылевого кристалла. Меняя свойства пылевых частиц (плотность, размеры), можно добиваться различного характера их сегрегации в исследуемой многокомпонентной системе. Показано, что, варьируя конфигурацию удерживающего поля, можно существенно изменять структуру плазменно-пылевого кристалла, переводя его из трехмерного в двумерное или одномерное состояние. При этом изменяется число и заселенность его оболочек. Полученные результаты улучшают понимание многообразия структур плазменно-пылевых систем.

Исследование поведения плазменно-пылевого кристалла при скачкообразном изменении величины удерживающего поля представляет научно-практический интерес, поскольку позволяет определить амплитудно-частотные характеристики, а также характер отклика и изменения структуры системы.

Результаты моделирования поведения плазменно-пылевого кристалла при электроимпульсном воздействии могут быть использованы для оценки заряда пылевых частиц и характера его изменения в процессе нагружения и последующей релаксации.

Полученные результаты углубляют наши знания о физической природе плазменно-пылевых систем и способах целенаправленного изменения их свойств.

Положения, выносимые на защиту 1. Характер изменения структуры плазменно-пылевого кристалла при внесении частиц разных сортов.

2. Закономерности изменения структуры одно- и бикомпонентных плазменнопылевых кристаллов при изменении конфигурации удерживающего поля.

3. Способы управления структурой кристаллического состояния плазменнопылевых кристаллов.

4. Особенности поведения плазменно-пылевого кристалла при скачкообразном всестороннем и анизотропном изменении удерживающего поля.

5. Результаты моделирования поведения плазменно-пылевого кристалла при электроимпульсном воздействии.

Обоснованность и достоверность результатов, представленных в диссертационной работе и сформулированных на их основе выводов, обеспечиваются:

корректностью постановок рассматриваемых задач и методов их решения; хорошо апробированными потенциалами межчастичного взаимодействия, позволяющими с высокой точностью описывать свойства плазменно-пылевых систем, которые наиболее важны при решении поставленных в диссертации задач; надежно протестированными компьютерными программами; хорошим согласием расчетных данных с опубликованными результатами работ других авторов и имеющимися экспериментальными данными.

Апробация работы Результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Международной конференции по физической мезомеханике (г. Томск, 2006);

Международной конференции «Advanced problems in Mechanics» - APM (г.

Санкт Петербург, 2008); Международной конференции по физической мезомеханике (г. Томск, 2008); Международной конференции «Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2009); Международной конференции «Advanced problems in Mechanics» - APM (г. Санкт Петербург, 2009); Международной конференции «Equations of State for Matter» (Эльбрус, 2010); Международной конференции «European Physical society conference on Plasma Physics» (г.

Дублин, 2010); Международной конференции «Advanced problems in Mechanics»

- APM (г. Санкт Петербург, 2010); Международном симпозиуме по высокоточной электронике (г. Томск, 2010); Международной конференции «Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2011).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, в том числе в 5 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы, из 137 наименований. Общий объем - 114 страниц, включая 34 рисунка и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, отмечены полученные результаты, показана их научно-практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту, дана краткая характеристика разделов диссертации.

Первый раздел носит обзорный характер. Представлен исторический обзор научных работ по изучению пылевой плазмы. Проведена адаптация метода молекулярной динамики для решения задач, поставленных в диссертационной работе, в том числе для описания многокомпонентной пылевой плазмы в удерживающих полях различной конфигурации. Основные уравнения молекулярной динамики представлены в виде:

где x, v, m и F – координата, скорость, масса частицы и действующая на не сила, соответственно. Уравнения молекулярной динамики решались с использованием схемы интегрирования Верле в скоростной форме:

где t – шаг интегрирования; индекс n – номер временного шага.

Обсуждены различные приближения к описанию взаимодействия, возникающему между пылевыми частицами, погруженными в плазму и характеристики сил, действующие на них. Взаимодействие между пылевыми частицами описывалось потенциалом Дебая-Хюккеля:

где r – расстояние между частицами; D - параметр экранирования плазмы, а Zd – заряд частицы. Заряд пылевых частиц рассчитывался в приближении ограниченного орбитального движения. Условия применимости приближения могут быть записаны в виде неравенства: